实验课堂上绿色化学实验的运用

绿色化学实验是在绿色化学的指导思想下，用预防化学污染的新思想、新方法和新技术，对常规实验进行改革而形成的化学实验的新方法。以绿色化学作为指导方针和标准，用尽可能少的试剂来进行实验，从而降低或消除实验室的“三废”，降低污染的程度和造成不必要的浪费，以实现绿色化学尽可能少的副作用的理想和目标。绿色化学实验的研究和设计将实现没有或只有很少环境副作用，对中学生环境保护意识的培养有着重要的意义，是可持续发展战略在化学实验中的具体体现。

一、通过绿色化学的理论和方法来设计绿色化学实验

绿色化学作为一门新兴学科，尚有许多不成熟的地方，但经过10年来的研究与探索，该领域的先驱研究者已总结出许多理论和原则。Anastas和Warner曾提出绿色化学12条原则，这些原则可作为化学工作者设计一个化学实验是不是绿色化学实验的指导方针和标准。

氨气的制取和性质实验是高中化学（必修1）一个重要实验。现行教材中的实验都是采用氯化铵与氢氧化钙混合直接加热来制取氨气，然后用另一套装置进行喷泉实验。由于反应有水生成，在加热时或停止加热后，所用大试管极易炸裂，尤其是学生实验，试管破损率达70%以上，造成浪费。从绿色化学原理出发，改用氧化钙和氯化铵反应来制取氨气，并将氨气的制备、收集、性质实验组合为一体，形成半封闭式装置，有效防止传统方法中试管易炸裂、操作时对环境污染和人体危害等弊端。经反复验证及学生实验，这种实验新方法反应速度快、集气量大，喷泉实验持续有力，实验操作简便、时间短、成功率高，是一种无污染、经济易行的绿色化学实验。

二、通过微型化学实验实现化学实验绿色化

微型化学实验（microscale laboratory，ML）是近30年来发展很快的一种化学实验新方法、新技术，被誉为“化学实验的革命”。微型化学实验是着眼于环境安全和污染预防的需要，用尽可能少的药品，在微型化的仪器装置中进行的化学实验。微型化学实验不是常规化学实验的简单缩微或减量，而是在微型化的条件下对实验进行重新设计与探索，达到以尽可能少的试剂来获得尽可能多的化学信息和目标。微型实验试剂用量少，是在微型装置中以少量试剂来进行的实验。

在化学实验中，经常用到或实验过程中经常会产生易燃、易爆和有毒等危险品，从绿色化学的角度出发，化学实验应尽量减少这些危害环境和人身安全的危险品的使用和产生，而这正是微型化学实验的优势所在。例如，气体的制备与性质实验在基础化学实验中占有相当大的比例。如Cl2、HCl、HBr、H2S、NO2、NH3、CO都是有毒气体，排入环境会导致环境污染，在通风设备不良的实验室还可能导致中毒事故的发生。而这些实验如果改为微型实验，由于产生的气体量极小，处理所产生的废气较为方便，即使偶尔散发到环境中也较易控制在安全浓度以下，因而不存在中毒的危险。

微型化学实验的研究着眼于环境保护和化学实验安全的需要，体现了现代科学技术发展水平的要求，是公认的以尽可能少的试剂来获取所需化学信息和实验原理和技术。微型实验除了具有现象明显、操作简单快速、节省经费、减少污染、安全、便于携带等优点外，在培养、提高人的科学素质上也发挥着不可估量的作用。它的兴起和推广虽然早于绿色化学，然而他的理想目标和方法与绿色化学是完全一致的，因此，实验的微型化实际上就是实现实验绿色化的成功的途径之一。

三、通过小量———半微量化学实验实现化学实验绿色化

小量———半微量实验方法采用常规的小量实验仪器和设备，对化学实验的基本操作、基本原理、综合实验采用小量化，元素及其化合物的性质实验采用半微量化。小量———半微量实验方法避免了微型化学实验的一些局限性，是在绿色化学思想的指导下，用预防化学污染的新思想对常规实验进行改革而形成的实验方法。常规实验的小量化是指在不改变实验方法和实验操作技术的前提下，采用常规的小容量仪器，药品用量减量。无论从实践基本操作的规范化，还是强化技能训练，养成良好的科学态度与习惯方面，常规实验都是不可缺少的环节、常规实验的小量化不存在微型实验中的实验室“转型”问题，不用额外的经费投入，反而可以充分利用实验室现有资源，因为成熟的实验技术更容易推广。在实验现象明显、效果显著的前提下，实验中试剂的浓度和用量降至最低限度。半微量实验试剂的用量或浓度仅为常量的1/10~1/5，其试剂用量比对应的常量实验节约80%以上。如焰色反应实验的改进：取一根干净的玻璃棒，在一端缠绕少许脱脂棉使之成球状。先滴2~3滴乙醇于其上，然后滴2滴1mol?L-1的待测溶液，在氧化焰中灼烧，观察火焰的颜色。观察完毕去掉脱脂棉，洗净玻璃棒，用同样的方法进行其它待测金属盐溶液的焰色反应。这种方法是传统铂丝圈（或镍———铬丝圈）的最佳替代方法，其灼烧呈现的焰色与铂丝做的焰色完全一致，而且具有成本低、操作方法简单、火焰持续时间长等优点。对于钾的焰色反应，采用本实验方法，不用蓝色钴玻璃片滤光也能清楚地观察到其焰色，现象明显。实践证明，药品用量的半微量化在实验结果的准确性与严密性上与常量法并无明显差别，反而使学生在做实验时更细心、认真，避免了照方抓药、粗放式的实验方法。小量———半微量化学实验方法在激发学生对化学的兴趣、强化动手能力的训练、培养创造性思维、树立绿色化学观念上同样有着独特的作用。

四、通过计算机辅助设计与多媒体仿真实现化学实验绿色化

教学实验，甚至是设计性实验中的许多步骤通常都是经过前人无数次试验并获得成功后的实验，其每一步的结果基本上都可用已有理论进行预测和解释。例如，烧杯未按要求拿稳会掉到地上摔碎，烧杯中的水忘了加沸石加热时就会暴费冲出，金属钠遇水会燃烧和爆炸，水银温度计跌破后散落的水银会导致中毒等。对于熟悉化学理论的人来说，这些结果并不需要进行实验。但是，对于正在学习化学的学生来说，很多因忽略某些实验细节而导致的结果是很难预测和解释的，而这些细节却往往又是初学者最容易忽视的。初学者往往有这样的感觉：引起破坏性后果的实验误操作给人的印象最深。如果误操作带来的后果仅仅是一个烧杯的损坏，倒没什么，但如果是用爆炸或中毒并造成人身伤害等来换取对误操作的深刻印象，代价实在太大了！为此，对于一些简单的化学实验，国内外许多高校、实验研究机构已开发出计算机仿真教学实验软件，初学者只需在多媒体计算机上进入虚拟现实场景，像玩游戏一样，就可学到实际操作中可能需要付出极大代价才能学到的东西。

在设计新的绿色化学实验时，既要考虑到实验的可靠性和可重复性，又要价格经济、产生少的废物，而且要求对环境无害，其难度之大是可想而知的。因此，化学工作者在设计绿色化学实验时，要打开思路去考虑。